Theorem fsum2d 11376

Description: Write a double sum as a sum over a two-dimensional region. Note that B ( j ) is a function of j. (Contributed by Mario Carneiro, 27-Apr-2014.)

Hypotheses

Ref	Expression
fsum2d.1	|- ( z = <. j , k >. -> D = C )
fsum2d.2	|- ( ph -> A e. Fin )
fsum2d.3	|- ( ( ph /\ j e. A ) -> B e. Fin )
fsum2d.4	|- ( ( ph /\ ( j e. A /\ k e. B ) ) -> C e. CC )

Assertion

Ref	Expression
fsum2d	|- ( ph -> sum_ j e. A sum_ k e. B C = sum_ z e. U_ j e. A ( { j } X. B ) D )

Distinct variable groups:   j, k, z, A   B, k, z   D, j, k   z, C   ph, j, k, z

Allowed substitution hints:   B( j)   C( j, k)   D( z)

Proof of Theorem fsum2d

Dummy variables w x y are mutually distinct and distinct from all other variables.

Step	Hyp	Ref	Expression
1		ssid 3162	. 2 |- A C_ A
2		fsum2d.2	. . 3 |- ( ph -> A e. Fin )
3		sseq1 3165	. . . . . 6 |- ( w = (/) -> ( w C_ A <-> (/) C_ A ) )
4		sumeq1 11296	. . . . . . 7 |- ( w = (/) -> sum_ j e. w sum_ k e. B C = sum_ j e. (/) sum_ k e. B C )
5		iuneq1 3879	. . . . . . . 8 |- ( w = (/) -> U_ j e. w ( { j } X. B ) = U_ j e. (/) ( { j } X. B ) )
6	5	sumeq1d 11307	. . . . . . 7 |- ( w = (/) -> sum_ z e. U_ j e. w ( { j } X. B ) D = sum_ z e. U_ j e. (/) ( { j } X. B ) D )
7	4, 6	eqeq12d 2180	. . . . . 6 |- ( w = (/) -> ( sum_ j e. w sum_ k e. B C = sum_ z e. U_ j e. w ( { j } X. B ) D <-> sum_ j e. (/) sum_ k e. B C = sum_ z e. U_ j e. (/) ( { j } X. B ) D ) )
8	3, 7	imbi12d 233	. . . . 5 |- ( w = (/) -> ( ( w C_ A -> sum_ j e. w sum_ k e. B C = sum_ z e. U_ j e. w ( { j } X. B ) D ) <-> ( (/) C_ A -> sum_ j e. (/) sum_ k e. B C = sum_ z e. U_ j e. (/) ( { j } X. B ) D ) ) )
9	8	imbi2d 229	. . . 4 |- ( w = (/) -> ( ( ph -> ( w C_ A -> sum_ j e. w sum_ k e. B C = sum_ z e. U_ j e. w ( { j } X. B ) D ) ) <-> ( ph -> ( (/) C_ A -> sum_ j e. (/) sum_ k e. B C = sum_ z e. U_ j e. (/) ( { j } X. B ) D ) ) ) )
10		sseq1 3165	. . . . . 6 |- ( w = x -> ( w C_ A <-> x C_ A ) )
11		sumeq1 11296	. . . . . . 7 |- ( w = x -> sum_ j e. w sum_ k e. B C = sum_ j e. x sum_ k e. B C )
12		iuneq1 3879	. . . . . . . 8 |- ( w = x -> U_ j e. w ( { j } X. B ) = U_ j e. x ( { j } X. B ) )
13	12	sumeq1d 11307	. . . . . . 7 |- ( w = x -> sum_ z e. U_ j e. w ( { j } X. B ) D = sum_ z e. U_ j e. x ( { j } X. B ) D )
14	11, 13	eqeq12d 2180	. . . . . 6 |- ( w = x -> ( sum_ j e. w sum_ k e. B C = sum_ z e. U_ j e. w ( { j } X. B ) D <-> sum_ j e. x sum_ k e. B C = sum_ z e. U_ j e. x ( { j } X. B ) D ) )
15	10, 14	imbi12d 233	. . . . 5 |- ( w = x -> ( ( w C_ A -> sum_ j e. w sum_ k e. B C = sum_ z e. U_ j e. w ( { j } X. B ) D ) <-> ( x C_ A -> sum_ j e. x sum_ k e. B C = sum_ z e. U_ j e. x ( { j } X. B ) D ) ) )
16	15	imbi2d 229	. . . 4 |- ( w = x -> ( ( ph -> ( w C_ A -> sum_ j e. w sum_ k e. B C = sum_ z e. U_ j e. w ( { j } X. B ) D ) ) <-> ( ph -> ( x C_ A -> sum_ j e. x sum_ k e. B C = sum_ z e. U_ j e. x ( { j } X. B ) D ) ) ) )
17		sseq1 3165	. . . . . 6 |- ( w = ( x u. { y } ) -> ( w C_ A <-> ( x u. { y } ) C_ A ) )
18		sumeq1 11296	. . . . . . 7 |- ( w = ( x u. { y } ) -> sum_ j e. w sum_ k e. B C = sum_ j e. ( x u. { y } ) sum_ k e. B C )
19		iuneq1 3879	. . . . . . . 8 |- ( w = ( x u. { y } ) -> U_ j e. w ( { j } X. B ) = U_ j e. ( x u. { y } ) ( { j } X. B ) )
20	19	sumeq1d 11307	. . . . . . 7 |- ( w = ( x u. { y } ) -> sum_ z e. U_ j e. w ( { j } X. B ) D = sum_ z e. U_ j e. ( x u. { y } ) ( { j } X. B ) D )
21	18, 20	eqeq12d 2180	. . . . . 6 |- ( w = ( x u. { y } ) -> ( sum_ j e. w sum_ k e. B C = sum_ z e. U_ j e. w ( { j } X. B ) D <-> sum_ j e. ( x u. { y } ) sum_ k e. B C = sum_ z e. U_ j e. ( x u. { y } ) ( { j } X. B ) D ) )
22	17, 21	imbi12d 233	. . . . 5 |- ( w = ( x u. { y } ) -> ( ( w C_ A -> sum_ j e. w sum_ k e. B C = sum_ z e. U_ j e. w ( { j } X. B ) D ) <-> ( ( x u. { y } ) C_ A -> sum_ j e. ( x u. { y } ) sum_ k e. B C = sum_ z e. U_ j e. ( x u. { y } ) ( { j } X. B ) D ) ) )
23	22	imbi2d 229	. . . 4 |- ( w = ( x u. { y } ) -> ( ( ph -> ( w C_ A -> sum_ j e. w sum_ k e. B C = sum_ z e. U_ j e. w ( { j } X. B ) D ) ) <-> ( ph -> ( ( x u. { y } ) C_ A -> sum_ j e. ( x u. { y } ) sum_ k e. B C = sum_ z e. U_ j e. ( x u. { y } ) ( { j } X. B ) D ) ) ) )
24		sseq1 3165	. . . . . 6 |- ( w = A -> ( w C_ A <-> A C_ A ) )
25		sumeq1 11296	. . . . . . 7 |- ( w = A -> sum_ j e. w sum_ k e. B C = sum_ j e. A sum_ k e. B C )
26		iuneq1 3879	. . . . . . . 8 |- ( w = A -> U_ j e. w ( { j } X. B ) = U_ j e. A ( { j } X. B ) )
27	26	sumeq1d 11307	. . . . . . 7 |- ( w = A -> sum_ z e. U_ j e. w ( { j } X. B ) D = sum_ z e. U_ j e. A ( { j } X. B ) D )
28	25, 27	eqeq12d 2180	. . . . . 6 |- ( w = A -> ( sum_ j e. w sum_ k e. B C = sum_ z e. U_ j e. w ( { j } X. B ) D <-> sum_ j e. A sum_ k e. B C = sum_ z e. U_ j e. A ( { j } X. B ) D ) )
29	24, 28	imbi12d 233	. . . . 5 |- ( w = A -> ( ( w C_ A -> sum_ j e. w sum_ k e. B C = sum_ z e. U_ j e. w ( { j } X. B ) D ) <-> ( A C_ A -> sum_ j e. A sum_ k e. B C = sum_ z e. U_ j e. A ( { j } X. B ) D ) ) )
30	29	imbi2d 229	. . . 4 |- ( w = A -> ( ( ph -> ( w C_ A -> sum_ j e. w sum_ k e. B C = sum_ z e. U_ j e. w ( { j } X. B ) D ) ) <-> ( ph -> ( A C_ A -> sum_ j e. A sum_ k e. B C = sum_ z e. U_ j e. A ( { j } X. B ) D ) ) ) )
31		sum0 11329	. . . . . 6 |- sum_ z e. (/) D = 0
32		0iun 3923	. . . . . . 7 |- U_ j e. (/) ( { j } X. B ) = (/)
33	32	sumeq1i 11304	. . . . . 6 |- sum_ z e. U_ j e. (/) ( { j } X. B ) D = sum_ z e. (/) D
34		sum0 11329	. . . . . 6 |- sum_ j e. (/) sum_ k e. B C = 0
35	31, 33, 34	3eqtr4ri 2197	. . . . 5 |- sum_ j e. (/) sum_ k e. B C = sum_ z e. U_ j e. (/) ( { j } X. B ) D
36	35	2a1i 27	. . . 4 |- ( ph -> ( (/) C_ A -> sum_ j e. (/) sum_ k e. B C = sum_ z e. U_ j e. (/) ( { j } X. B ) D ) )
37		ssun1 3285	. . . . . . . . 9 |- x C_ ( x u. { y } )
38		sstr 3150	. . . . . . . . 9 |- ( ( x C_ ( x u. { y } ) /\ ( x u. { y } ) C_ A ) -> x C_ A )
39	37, 38	mpan 421	. . . . . . . 8 |- ( ( x u. { y } ) C_ A -> x C_ A )
40	39	imim1i 60	. . . . . . 7 |- ( ( x C_ A -> sum_ j e. x sum_ k e. B C = sum_ z e. U_ j e. x ( { j } X. B ) D ) -> ( ( x u. { y } ) C_ A -> sum_ j e. x sum_ k e. B C = sum_ z e. U_ j e. x ( { j } X. B ) D ) )
41		fsum2d.1	. . . . . . . . . 10 |- ( z = <. j , k >. -> D = C )
42	2	ad2antrr 480	. . . . . . . . . 10 |- ( ( ( ph /\ ( x e. Fin /\ -. y e. x ) ) /\ ( x u. { y } ) C_ A ) -> A e. Fin )
43		simpll 519	. . . . . . . . . . 11 |- ( ( ( ph /\ ( x e. Fin /\ -. y e. x ) ) /\ ( x u. { y } ) C_ A ) -> ph )
44		fsum2d.3	. . . . . . . . . . 11 |- ( ( ph /\ j e. A ) -> B e. Fin )
45	43, 44	sylan 281	. . . . . . . . . 10 |- ( ( ( ( ph /\ ( x e. Fin /\ -. y e. x ) ) /\ ( x u. { y } ) C_ A ) /\ j e. A ) -> B e. Fin )
46		fsum2d.4	. . . . . . . . . . 11 |- ( ( ph /\ ( j e. A /\ k e. B ) ) -> C e. CC )
47	43, 46	sylan 281	. . . . . . . . . 10 |- ( ( ( ( ph /\ ( x e. Fin /\ -. y e. x ) ) /\ ( x u. { y } ) C_ A ) /\ ( j e. A /\ k e. B ) ) -> C e. CC )
48		simplrr 526	. . . . . . . . . 10 |- ( ( ( ph /\ ( x e. Fin /\ -. y e. x ) ) /\ ( x u. { y } ) C_ A ) -> -. y e. x )
49		simpr 109	. . . . . . . . . 10 |- ( ( ( ph /\ ( x e. Fin /\ -. y e. x ) ) /\ ( x u. { y } ) C_ A ) -> ( x u. { y } ) C_ A )
50		simplrl 525	. . . . . . . . . 10 |- ( ( ( ph /\ ( x e. Fin /\ -. y e. x ) ) /\ ( x u. { y } ) C_ A ) -> x e. Fin )
51		biid 170	. . . . . . . . . 10 |- ( sum_ j e. x sum_ k e. B C = sum_ z e. U_ j e. x ( { j } X. B ) D <-> sum_ j e. x sum_ k e. B C = sum_ z e. U_ j e. x ( { j } X. B ) D )
52	41, 42, 45, 47, 48, 49, 50, 51	fsum2dlemstep 11375	. . . . . . . . 9 |- ( ( ( ( ph /\ ( x e. Fin /\ -. y e. x ) ) /\ ( x u. { y } ) C_ A ) /\ sum_ j e. x sum_ k e. B C = sum_ z e. U_ j e. x ( { j } X. B ) D ) -> sum_ j e. ( x u. { y } ) sum_ k e. B C = sum_ z e. U_ j e. ( x u. { y } ) ( { j } X. B ) D )
53	52	exp31 362	. . . . . . . 8 |- ( ( ph /\ ( x e. Fin /\ -. y e. x ) ) -> ( ( x u. { y } ) C_ A -> ( sum_ j e. x sum_ k e. B C = sum_ z e. U_ j e. x ( { j } X. B ) D -> sum_ j e. ( x u. { y } ) sum_ k e. B C = sum_ z e. U_ j e. ( x u. { y } ) ( { j } X. B ) D ) ) )
54	53	a2d 26	. . . . . . 7 |- ( ( ph /\ ( x e. Fin /\ -. y e. x ) ) -> ( ( ( x u. { y } ) C_ A -> sum_ j e. x sum_ k e. B C = sum_ z e. U_ j e. x ( { j } X. B ) D ) -> ( ( x u. { y } ) C_ A -> sum_ j e. ( x u. { y } ) sum_ k e. B C = sum_ z e. U_ j e. ( x u. { y } ) ( { j } X. B ) D ) ) )
55	40, 54	syl5 32	. . . . . 6 |- ( ( ph /\ ( x e. Fin /\ -. y e. x ) ) -> ( ( x C_ A -> sum_ j e. x sum_ k e. B C = sum_ z e. U_ j e. x ( { j } X. B ) D ) -> ( ( x u. { y } ) C_ A -> sum_ j e. ( x u. { y } ) sum_ k e. B C = sum_ z e. U_ j e. ( x u. { y } ) ( { j } X. B ) D ) ) )
56	55	expcom 115	. . . . 5 |- ( ( x e. Fin /\ -. y e. x ) -> ( ph -> ( ( x C_ A -> sum_ j e. x sum_ k e. B C = sum_ z e. U_ j e. x ( { j } X. B ) D ) -> ( ( x u. { y } ) C_ A -> sum_ j e. ( x u. { y } ) sum_ k e. B C = sum_ z e. U_ j e. ( x u. { y } ) ( { j } X. B ) D ) ) ) )
57	56	a2d 26	. . . 4 |- ( ( x e. Fin /\ -. y e. x ) -> ( ( ph -> ( x C_ A -> sum_ j e. x sum_ k e. B C = sum_ z e. U_ j e. x ( { j } X. B ) D ) ) -> ( ph -> ( ( x u. { y } ) C_ A -> sum_ j e. ( x u. { y } ) sum_ k e. B C = sum_ z e. U_ j e. ( x u. { y } ) ( { j } X. B ) D ) ) ) )
58	9, 16, 23, 30, 36, 57	findcard2s 6856	. . 3 |- ( A e. Fin -> ( ph -> ( A C_ A -> sum_ j e. A sum_ k e. B C = sum_ z e. U_ j e. A ( { j } X. B ) D ) ) )
59	2, 58	mpcom 36	. 2 |- ( ph -> ( A C_ A -> sum_ j e. A sum_ k e. B C = sum_ z e. U_ j e. A ( { j } X. B ) D ) )
60	1, 59	mpi 15	1 |- ( ph -> sum_ j e. A sum_ k e. B C = sum_ z e. U_ j e. A ( { j } X. B ) D )

Syntax hints:   -. wn 3   -> wi 4   /\ wa 103   = wceq 1343   e. wcel 2136   u. cun 3114   C_ wss 3116   (/)c0 3409   {csn 3576   <.cop 3579   U_ciun 3866   X. cxp 4602   Fincfn 6706   CCcc 7751   0cc0 7753   sum_csu 11294

This theorem was proved from axioms:  ax-mp 5  ax-1 6  ax-2 7  ax-ia1 105  ax-ia2 106  ax-ia3 107  ax-in1 604  ax-in2 605  ax-io 699  ax-5 1435  ax-7 1436  ax-gen 1437  ax-ie1 1481  ax-ie2 1482  ax-8 1492  ax-10 1493  ax-11 1494  ax-i12 1495  ax-bndl 1497  ax-4 1498  ax-17 1514  ax-i9 1518  ax-ial 1522  ax-i5r 1523  ax-13 2138  ax-14 2139  ax-ext 2147  ax-coll 4097  ax-sep 4100  ax-nul 4108  ax-pow 4153  ax-pr 4187  ax-un 4411  ax-setind 4514  ax-iinf 4565  ax-cnex 7844  ax-resscn 7845  ax-1cn 7846  ax-1re 7847  ax-icn 7848  ax-addcl 7849  ax-addrcl 7850  ax-mulcl 7851  ax-mulrcl 7852  ax-addcom 7853  ax-mulcom 7854  ax-addass 7855  ax-mulass 7856  ax-distr 7857  ax-i2m1 7858  ax-0lt1 7859  ax-1rid 7860  ax-0id 7861  ax-rnegex 7862  ax-precex 7863  ax-cnre 7864  ax-pre-ltirr 7865  ax-pre-ltwlin 7866  ax-pre-lttrn 7867  ax-pre-apti 7868  ax-pre-ltadd 7869  ax-pre-mulgt0 7870  ax-pre-mulext 7871  ax-arch 7872  ax-caucvg 7873

This theorem depends on definitions:  df-bi 116  df-dc 825  df-3or 969  df-3an 970  df-tru 1346  df-fal 1349  df-nf 1449  df-sb 1751  df-eu 2017  df-mo 2018  df-clab 2152  df-cleq 2158  df-clel 2161  df-nfc 2297  df-ne 2337  df-nel 2432  df-ral 2449  df-rex 2450  df-reu 2451  df-rmo 2452  df-rab 2453  df-v 2728  df-sbc 2952  df-csb 3046  df-dif 3118  df-un 3120  df-in 3122  df-ss 3129  df-nul 3410  df-if 3521  df-pw 3561  df-sn 3582  df-pr 3583  df-op 3585  df-uni 3790  df-int 3825  df-iun 3868  df-disj 3960  df-br 3983  df-opab 4044  df-mpt 4045  df-tr 4081  df-id 4271  df-po 4274  df-iso 4275  df-iord 4344  df-on 4346  df-ilim 4347  df-suc 4349  df-iom 4568  df-xp 4610  df-rel 4611  df-cnv 4612  df-co 4613  df-dm 4614  df-rn 4615  df-res 4616  df-ima 4617  df-iota 5153  df-fun 5190  df-fn 5191  df-f 5192  df-f1 5193  df-fo 5194  df-f1o 5195  df-fv 5196  df-isom 5197  df-riota 5798  df-ov 5845  df-oprab 5846  df-mpo 5847  df-1st 6108  df-2nd 6109  df-recs 6273  df-irdg 6338  df-frec 6359  df-1o 6384  df-oadd 6388  df-er 6501  df-en 6707  df-dom 6708  df-fin 6709  df-pnf 7935  df-mnf 7936  df-xr 7937  df-ltxr 7938  df-le 7939  df-sub 8071  df-neg 8072  df-reap 8473  df-ap 8480  df-div 8569  df-inn 8858  df-2 8916  df-3 8917  df-4 8918  df-n0 9115  df-z 9192  df-uz 9467  df-q 9558  df-rp 9590  df-fz 9945  df-fzo 10078  df-seqfrec 10381  df-exp 10455  df-ihash 10689  df-cj 10784  df-re 10785  df-im 10786  df-rsqrt 10940  df-abs 10941  df-clim 11220  df-sumdc 11295

This theorem is referenced by:  fsumxp  11377  fisumcom2  11379